利用CPU卡加密協(xié)處理器技術(shù)實(shí)現(xiàn)安全功能

文章出處：http://www.luckydriving.com 作者：寶興達(dá)   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月26日

    PC軟件的盜版一直是困擾軟件行業(yè)發(fā)展的主要問題，同樣，在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，隨著近些年黑客技術(shù)和芯片解剖技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)所面臨的攻擊也越來越多，隨之而生的防抄板技術(shù)也引起了產(chǎn)品設(shè)計者的重視。

    產(chǎn)品設(shè)計者目前所面臨的問題主要是黑客對產(chǎn)品的仿制，其目的是獲得產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)或者降低產(chǎn)品設(shè)計成本，攻擊手段主要是抄襲產(chǎn)品設(shè)計者的線路板布線圖和拷貝獲得產(chǎn)品運(yùn)行程序。

    目前市場通用的ARM，DSP、單片機(jī)通常的安全防護(hù)手段很少，更多的程序暴露在透明的Flash或EEPROM中，面對不斷發(fā)展的攻擊技術(shù)以及黑客之間的競爭，產(chǎn)品的破解時間和成本越來越低，相對于產(chǎn)品仿制者獲得的巨大利益，有時其破解成本甚至可以忽略不計。尤其在一些非行業(yè)用戶的產(chǎn)業(yè)，如游戲機(jī)業(yè)，消費(fèi)電子業(yè)，甚至出現(xiàn)了仿制產(chǎn)品大大多于自有產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的現(xiàn)象。因此，如何保護(hù)自身的利益，是產(chǎn)品設(shè)計者目前經(jīng)常面對的問題，魔道相爭，也促進(jìn)了嵌入式系統(tǒng)防抄板技術(shù)的發(fā)展。

    嵌入式系統(tǒng)更高的防護(hù)技術(shù)意味著更高的成本，但對于受到攻擊的產(chǎn)品而言，往往是產(chǎn)銷量大的消費(fèi)電子產(chǎn)品，為增加防護(hù)技術(shù)所增加的產(chǎn)品成本會削弱產(chǎn)品的價格競爭能力，因此，市場上流行的防抄板安全技術(shù)及產(chǎn)品多屬于低成本的解決方案。下文將對這些主流方案做一些技術(shù)解析。

    1、 早期的口令認(rèn)證防護(hù)技術(shù)

    幾年以前，產(chǎn)品設(shè)計者通常使用一個邏輯加密卡芯片來給產(chǎn)品定義唯一序列號或者存儲序列號，這種邏輯加密存儲器必須通過口令認(rèn)證后才能進(jìn)行讀寫，這種防護(hù)技術(shù)面對黑客的示波器，口令和明文傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可輕易被獲得，防護(hù)技術(shù)已經(jīng)完全失效和過時。

    2、 動態(tài)口令認(rèn)證防護(hù)技術(shù)

    為了避免線路監(jiān)控固定口令的缺陷，一些防護(hù)芯片采用動態(tài)口令技術(shù)，基本原理是防護(hù)芯片和MCU內(nèi)置相同的密鑰和相同的對稱算法，利用隨機(jī)數(shù)作為通訊數(shù)據(jù)，MCU判斷防護(hù)芯片的計算結(jié)果正確與否，來決定程序是否繼續(xù)運(yùn)行。這種產(chǎn)品和技術(shù)解決了認(rèn)證過程線路監(jiān)控的問題，但實(shí)際防護(hù)作用微乎其微。因?yàn)镸CU本身沒有硬件防護(hù)功能才選用防護(hù)芯片，而這種防護(hù)芯片的硬件安全性甚至不如MCU,其內(nèi)部存儲的密鑰可以很容易的被獲取。更重要的一點(diǎn)，MCU在安全防護(hù)上僅僅做了一個認(rèn)證流程，可以很容易地被能夠修改程序的黑客輕松跳過。目前市場上這種芯片的銷量雖然很大，但缺乏真正防護(hù)效果，實(shí)際上無償增加了產(chǎn)品設(shè)計者的成本。

    3、 動態(tài)口令認(rèn)證＋數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

    為了解決僅僅簡單認(rèn)證的問題，有些公司繼續(xù)使用安全存儲技術(shù)，防護(hù)芯片內(nèi)置動態(tài)口令和認(rèn)證算法，并具有數(shù)據(jù)存儲功能，首先使用復(fù)雜的動態(tài)雙向認(rèn)證技術(shù)，獲得存儲器的讀寫權(quán)限，然后讀寫敏感的數(shù)據(jù)信息。這種防護(hù)芯片，硬件具有一定的安全性，因此具有一定的防護(hù)作用。但是MCU端的安全性并沒有解決，黑客可以通過攻擊MCU端的程序獲取算法和密鑰，通過認(rèn)證后監(jiān)控讀寫通道獲取敏感數(shù)據(jù)，因此其安全性也受到了一定的局限。 

采用CPU卡加密協(xié)處理器技術(shù)的功能示意圖。

    4、 CPU卡通用COS保護(hù)技術(shù)

    CPU卡在SIM領(lǐng)域和金融領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得其安全性得到了很大的認(rèn)知。金融應(yīng)用以及SIM卡巨大的發(fā)卡量所帶來的潛在安全風(fēng)險，使CPU卡面臨的安全挑戰(zhàn)是最大的，因此CPU卡的硬件安全防護(hù)技術(shù)是比較全面的，而且在不斷的升級，國際權(quán)威機(jī)構(gòu)也有針對CPU卡的安全認(rèn)證，其認(rèn)證費(fèi)用非常昂貴，使得CPU卡的設(shè)計和生產(chǎn)商往往是國際性的大公司，這也增加了人們對CPU卡的信任。

    目前常用CPU卡的安全性往往體現(xiàn)在硬件和軟件兩個方面：

    CPU卡的硬件設(shè)計通常增加了很多的傳感器，如高壓和低壓傳感器，頻率傳感器、濾波器、光傳感器、脈沖傳感器、溫度傳感器等，這些傳感器可以清晰地感覺到外部環(huán)境的變化，可以有效防止黑客利用改變硅片外部環(huán)境而誘導(dǎo)芯片誤感應(yīng)的半入侵攻擊。為了對付物理攻擊，CPU卡在芯片內(nèi)部對存儲器和總線系統(tǒng)進(jìn)行加密，存在芯片上的數(shù)據(jù)本身用強(qiáng)大的密碼算法進(jìn)行加密，即便是攻擊者能夠得到這些數(shù)據(jù)，也只能獲得無用的信息。另一方面，采用有效的屏蔽網(wǎng)對攻擊者構(gòu)成有效的屏障。采用微米級的超細(xì)保護(hù)線來覆蓋安全控制器。這些保護(hù)線被連續(xù)地監(jiān)控，如果某些線與其它短路、切斷或損壞，就會啟動報警。采用這么多層次的保護(hù)措施，就可以對控制器起到相當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)作用，以免于遭受物理攻擊。另外，CPU卡往往內(nèi)部還具有真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和硬件加密協(xié)處理器，以增加計算的安全性和速度。

    除了CPU卡硬件安全性，CPU卡還使用內(nèi)部操作系統(tǒng)COS來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全管理，如使用安全狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫的權(quán)限管理，通過隨機(jī)數(shù)認(rèn)證機(jī)制獲取存儲器的權(quán)限，卡內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)也可以使用密文或者動態(tài)密文的方式進(jìn)行線路通訊，這些技術(shù)基本能夠解決在防護(hù)芯片一端的數(shù)據(jù)安全性。

    目前，采用CPU卡進(jìn)行防護(hù)已經(jīng)成為一種領(lǐng)先技術(shù)，CPU卡在SIM領(lǐng)域的巨量應(yīng)用使得其成本也能夠逐漸下降到被設(shè)計者接受的程度。

    但是，CPU卡盡管比較安全，但依然還沒有解決MCU一端的安全問題，對稱算法的使用使得在MCU端依然要暴露算法和密鑰，另外，對于CPU卡的使用者而言，COS功能已經(jīng)設(shè)計好，只能被動使用固定指令，功能擴(kuò)展困難，而且第三方COS的權(quán)威性也會受到人們的擔(dān)心和質(zhì)疑。

    5、開放的CPU卡加密協(xié)處理器技術(shù)

    CPU卡實(shí)際上依然是一個單片機(jī)，盡管其加載了各種安全技術(shù)，但其等同于一個迷你接口的安全單片機(jī)，針對COS廠商的軟件開發(fā)人員而言，COS編程等同于單片機(jī)開發(fā)，所使用的開發(fā)工具和編程語言與單片機(jī)甚至是相同的。因此，如果采用CPU卡做為主MCU的一個安全協(xié)處理器，輔助MCU工作，使得一些重要程序或者數(shù)據(jù)處理過程在CPU卡內(nèi)部完成，將解決MCU一端的安全問題，同時CPU卡內(nèi)部通常也具備很大的數(shù)據(jù)存儲空間（20K－120K字節(jié)），安全計算加大容量安全存儲，也大大提高了CPU卡應(yīng)用的性能價格比。

    但是對于單片機(jī)工程師而言，編寫COS或者與CPU卡進(jìn)行通訊的過程中，面臨的最大困擾是復(fù)雜的ISO7816協(xié)議，為了解決這個問題，有些技術(shù)使用先在CPU卡內(nèi)部放置通訊固件，將ISO7816協(xié)議變成普通的串口協(xié)議，這樣工程師就能夠象針對單片機(jī)編程一樣輕松自如地對安全單片機(jī)進(jìn)行編程了。

    開放的CPU卡加密協(xié)處理器技術(shù)相對于傳統(tǒng)的認(rèn)證技術(shù)具有非常大的優(yōu)勢，依托安全的CPU卡硬件平臺作為安全協(xié)處理器，設(shè)計工程師可以在安全協(xié)處理器內(nèi)部隨意自如的實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計思路，不受第三方COS的制約，將設(shè)計思想和敏感數(shù)據(jù)完全控制在自己手中。 

    目前，北京寶興達(dá)信息技術(shù)有限公司開發(fā)的這種新興產(chǎn)品ESPU0808已經(jīng)引起了人們的興趣，在很多領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用，如在游戲機(jī)內(nèi)部，使用ESPU0808來計算人機(jī)博弈的中獎概率，在門禁應(yīng)用領(lǐng)域，利用ESPU0808對正常用戶和黑名單進(jìn)行管理，這項技術(shù)不僅增加了算法的安全性，同時減少了主MCU的負(fù)擔(dān)。 

    使用這項技術(shù)依然有一些問題需要考慮，在CPU卡加密協(xié)處理器內(nèi)部運(yùn)行的程序要具有很好的隨機(jī)性，簡單的程序和過少的數(shù)據(jù)交互會增加黑客的攻擊機(jī)會。

    隨著技術(shù)的進(jìn)步，防抄板技術(shù)也在日新月益，不斷地發(fā)展，以對抗不斷增強(qiáng)的黑客攻擊手段。